La plupart des gens savent que la Ford Model T a été la première automobile vraiment abordable. Mais savez-vous quel type de moteur il avait? Le modèle T original, sorti en 1908, était équipé d'un moteur quatre cylindres de 2,9 litres développant seulement 22 chevaux.
C'est une petite puissance pour sa taille par rapport aux moteurs d'aujourd'hui, mais il a certainement battu le moteur de ce qui est considéré comme la première automobile - la 1885 Benz Patent Motorwagen. Cette voiture avait un moteur à piston unique et ne produisait que les deux tiers d'un seul cheval-vapeur.
Comme vous pouvez le constater, les moteurs automobiles sont en constante évolution depuis le tout début de l'automobile. Aujourd'hui, ils sont plus puissants, plus silencieux, plus durables, moins polluants et plus économes en carburant qu'ils ne l'ont jamais été, grâce aux progrès constants de la conception et de la technologie des moteurs.
Les ingénieurs automobiles travaillent constamment sur les moyens d'améliorer le moteur à combustion interne et de le porter dans le futur. Combien d'autres inventions connaissez-vous qui ont été perfectionnées en continu depuis plus de 150 ans ?
Dans cet article, nous examinerons 10 des améliorations de moteur les plus importantes et les plus importantes de tous les temps. De l'injection de carburant aux moteurs hybrides, nous examinerons où en sont les moteurs et, espérons-le, obtiendrons un aperçu de leur destination.
ContenuAvantages : Plus économe en carburant, moins polluant
Inconvénients : Plus compliqué, plus cher à fabriquer
Vous souvenez-vous de la Benz Patent Motorwagen dont nous avons parlé ? En plus d'avoir un seul piston ou cylindre, c'était un moteur à deux temps, comme de nombreux premiers moteurs. AVC fait référence au mouvement du piston dans le moteur.
Les moteurs à quatre temps ont été l'une des premières améliorations apportées aux moteurs à combustion interne à la fin des années 1800. Sur un moteur à quatre temps, le moteur effectue quatre étapes lorsqu'il brûle de l'essence :admission, compression, puissance et échappement [source :CompGoParts.com]. Ces étapes se produisent toutes lorsque le piston monte et descend deux fois.
Les moteurs à deux temps plus anciens et plus simples accomplissaient la même tâche - brûler de l'essence pour créer un mouvement mécanique - mais ils le faisaient en deux étapes. Aujourd'hui, les moteurs à deux temps se trouvent sur de petits équipements comme les tondeuses à gazon, les petites motos et les gros moteurs industriels. Presque toutes les voitures utilisent le cycle à quatre temps.
Les moteurs à quatre temps présentent plusieurs avantages, notamment une meilleure économie de carburant, une plus grande durabilité, plus de puissance et de couple et des émissions plus propres. Cependant, comparés aux moteurs à deux temps, ils sont plus compliqués et coûteux à fabriquer, et nécessitent l'utilisation de soupapes pour l'admission et l'échappement des gaz.
Malgré cela, les moteurs à quatre temps sont devenus la norme de l'industrie pour les voitures, et ils ne vont probablement pas disparaître de si tôt. Nous en apprendrons plus sur le rôle des vannes et comment elles ont été améliorées plus loin dans cet article.
Ensuite, nous découvrirons l'induction forcée et comment elle est passée des avions aux voitures de tous les jours.
Avantages : Plus de puissance sans augmentation de la taille du moteur
Inconvénients : Consommation de carburant, turbo lag
Un moteur a besoin de trois choses pour générer du mouvement :du carburant, de l'air et de l'allumage. Le bourrage de plus d'air dans un moteur augmentera la puissance générée par les pistons du moteur. Une façon de le faire de longue date, et qui devient de plus en plus populaire ces derniers temps, consiste à utiliser l'induction forcée. Vous connaissez peut-être mieux ce processus par les pièces qui le font fonctionner :les turbocompresseurs et les compresseurs de suralimentation.
Dans un moteur à induction forcée, l'air est forcé dans la chambre de combustion à une pression plus élevée que d'habitude, créant une compression plus élevée et plus de puissance à chaque coup du moteur [source :Bowman]. Les turbocompresseurs et les surpresseurs sont essentiellement des compresseurs d'air qui poussent plus d'air dans le moteur.
Les systèmes à induction forcée étaient utilisés sur les moteurs d'avion bien avant qu'ils ne commencent à être ajoutés aux moteurs de voiture dans les années 1920. Ils sont particulièrement bénéfiques pour les petits moteurs car ils peuvent générer beaucoup de puissance supplémentaire sans augmenter la taille du moteur ni entraîner une baisse spectaculaire de la consommation de carburant.
Un bon exemple est la Mini Cooper S turbocompressée, qui n'a qu'un moteur de 1,6 litre mais produit plus de 200 chevaux dans certaines applications. De plus, les voitures hautes performances comme la Porsche 911 Turbo ou la Corvette ZR-1 utilisent l'induction forcée pour obtenir d'énormes gains de puissance.
Les inconvénients ? Les voitures équipées de turbocompresseurs nécessitent souvent de l'essence super. Ensuite, il y a le problème du décalage du turbo , où les gains de puissance ne se font sentir que lorsque le turbocompresseur s'enroule à des révolutions par minute (RPM) plus élevées. Les ingénieurs ont contribué à réduire ces deux inconvénients ces dernières années.
Et avec l'économie de carburant et les normes d'émissions de plus en plus strictes, de nombreux constructeurs automobiles se tournent vers l'induction forcée sur des moteurs plus petits au lieu de construire des moteurs plus gros. Sur la toute nouvelle Hyundai Sonata, par exemple, le meilleur moteur que l'on puisse acheter n'est plus un V6, mais un quatre cylindres turbo.
Ensuite, nous verrons pourquoi les carburateurs sont pratiquement devenus une chose du passé grâce à l'injection de carburant.
Avantages : Meilleure réponse de l'accélérateur, efficacité énergétique accrue, plus de puissance, démarrage plus facile
Inconvénients : Plus de complexité et des réparations potentiellement coûteuses
Pendant des décennies, la méthode préférée pour mélanger le carburant et l'air et le déposer dans la chambre de combustion du moteur était le carburateur. Appuyez sur la pédale d'accélérateur à plein régime, et le carburateur laisse entrer plus d'air et de carburant dans le moteur.
Depuis la fin des années 1980, les carburateurs ont été presque entièrement remplacés par l'injection de carburant, un système beaucoup plus sophistiqué et efficace de mélange de carburant et d'air. Les injecteurs de carburant pulvérisent de l'essence dans le collecteur d'admission d'air, où le carburant et l'air se mélangent en une fine brume. Ce mélange est amené dans la chambre de combustion par des soupapes sur chaque cylindre pendant le processus d'admission. L'ordinateur de bord du moteur contrôle le processus d'injection de carburant.
Alors pourquoi l'injection de carburant a-t-elle remplacé le carburateur ? Pour le dire simplement, l'injection de carburant fonctionne mieux dans tous les aspects. Les moteurs à injection de carburant contrôlés par ordinateur sont plus faciles à démarrer, en particulier par temps froid, lorsque les carburateurs peuvent compliquer les choses. Les moteurs à injection de carburant sont également plus efficaces et plus réactifs aux changements d'accélérateur [source :Automedia].
Ils présentent des inconvénients en termes de complexité accrue. Les systèmes d'injection de carburant sont également plus coûteux à réparer que les carburateurs. Cependant, ils sont devenus la norme de l'industrie pour la livraison de carburant, et il ne semble pas que les carburateurs feront leur retour de si tôt.
Dans cette prochaine section, nous aborderons la prochaine étape de la technologie d'injection de carburant connue sous le nom d'injection directe.
Avantages : Plus de puissance, une meilleure économie de carburant
Inconvénients : Plus cher à fabriquer, technologie relativement nouvelle
L'injection directe est un raffinement supplémentaire des améliorations apportées par l'injection de carburant. Comme vous l'avez peut-être deviné d'après son nom, il permet à l'injection de carburant de "sauter une étape", ce qui ajoute de l'efficacité au moteur, et par conséquent plus de puissance et une meilleure économie de carburant.
Sur un moteur à injection directe, le carburant est pulvérisé directement dans la chambre de combustion et non dans le collecteur d'admission d'air. Les ordinateurs du moteur s'assurent ensuite que le carburant est brûlé exactement quand et où il est nécessaire, réduisant ainsi les déchets. L'injection directe fournit un mélange de carburant plus pauvre, qui brûle plus efficacement. À certains égards, cela rend les moteurs à essence plus similaires aux moteurs diesel, qui ont toujours utilisé une forme d'injection directe.
Comme nous l'avons appris précédemment, les moteurs à injection directe offrent une augmentation de la puissance et de l'économie de carburant par rapport aux systèmes d'injection de carburant. Mais ils ont aussi leurs inconvénients. D'une part, la technologie est relativement nouvelle, n'ayant été commercialisée qu'au cours de la dernière décennie environ. De plus en plus d'entreprises commencent à augmenter leur utilisation de l'injection directe, mais celle-ci n'est pas encore devenue la norme.
Parfois, les moteurs à injection directe peuvent présenter une accumulation de dépôts de carbone sur les soupapes d'admission, ce qui peut entraîner des problèmes de fiabilité. Certains tuners automobiles ont également exprimé des difficultés à modifier les moteurs à injection directe. Malgré ces problèmes, l'injection directe est la nouvelle technologie en vogue dans le monde automobile en ce moment. Attendez-vous à le voir sur de plus en plus de voitures au fil du temps.
Examinons ensuite l'utilisation de blocs moteurs en aluminium par rapport aux blocs de fer à l'ancienne.
Avantages : Un poids plus léger conduit à plus d'efficacité et à une meilleure maniabilité
Inconvénients : Peut se déformer à haute température
Au cours des dernières années, les voitures ont eu tendance à être plus légères à bien des égards. Les constructeurs automobiles recherchent des moyens de réduire le poids d'un véhicule afin de générer une meilleure économie de carburant et de meilleures performances. L'une des façons dont ils y sont parvenus consiste en grande partie à remplacer les moteurs en fer par des moteurs en aluminium.
Pendant de nombreuses années, les blocs moteurs en fer étaient la norme de l'industrie. Aujourd'hui, la majorité de tous les nouveaux petits moteurs utilisent de l'aluminium à la place, bien que de nombreux gros moteurs V8 utilisent encore des blocs de fer. L'aluminium pèse beaucoup moins que le fer - généralement, un moteur en aluminium pèse la moitié de ce qu'un moteur en fer pèse. Cela se traduit par un poids global plus léger pour la voiture, ce qui signifie une meilleure maniabilité et une plus grande efficacité énergétique [source :Murphy].
L'aluminium a cependant quelques inconvénients. En tant que métal, il n'est pas aussi solide que le fer et ne résiste pas non plus à des niveaux élevés de chaleur. De nombreux premiers moteurs à bloc en aluminium avaient des problèmes de déformation des cylindres, ce qui posait des problèmes de durabilité. Cependant, ces problèmes ont été largement résolus et l'aluminium s'est clairement affirmé comme l'avenir des moteurs en raison de ses propriétés d'économie de poids.
Dans cette prochaine section, nous parlerons de la façon dont les arbres à cames ont révolutionné la conception des moteurs.
Avantages : Meilleures performances
Inconvénients : Complexité accrue
Vous avez probablement entendu le terme "DOHC" ou "double arbre à cames en tête" quand quelqu'un parle d'un moteur. La plupart des gens le reconnaissent comme une fonctionnalité souhaitable, mais qu'est-ce que cela signifie ? Le terme fait référence au nombre d'arbres à cames en tête au-dessus de chaque cylindre du moteur.
Arbres à cames font partie du train de soupapes de votre voiture , qui est un système qui contrôle le débit de carburant et d'air dans les cylindres. Pendant de nombreuses décennies, les voitures étaient principalement équipées de moteurs OHV, c'est-à-dire de soupapes en tête, également appelées "poussoirs". Les poussoirs sont entraînés par des arbres à cames à l'intérieur du bloc moteur. Cette configuration ajoute de la masse au moteur et peut limiter sa vitesse globale.
Sur une configuration à arbre à cames en tête, l'arbre à cames est beaucoup plus petit et est inséré au-dessus de la culasse elle-même, plutôt que dans le bloc moteur. Il y en a un sur un moteur à simple arbre à cames en tête (SOHC), tandis qu'un moteur DOHC en a deux. L'avantage de la configuration à arbre à cames en tête est qu'elle permet d'avoir plus de soupapes d'admission et d'échappement, ce qui signifie que le carburant, l'air et l'échappement peuvent se déplacer plus librement dans le moteur, ce qui ajoute de la puissance.
Alors que de nombreux constructeurs automobiles ont supprimé les moteurs à poussoir, DOHC et SOHC ne les ont pas encore tout à fait supplantés. Chrysler utilise toujours des poussoirs pour générer beaucoup de puissance pour ses moteurs Hemi V8; General Motors utilise également des poussoirs sur certains de ses V8 modernes de haute technologie. Mais les moteurs DOHC et SOHC occupent une place importante sur les moteurs, en particulier les plus petits, depuis les années 1980.
L'inconvénient d'avoir des cames en tête est qu'elles augmentent la complexité et le coût. Avez-vous déjà remarqué une tendance ?
Ensuite, nous en apprendrons davantage sur la façon dont les soupapes affectent les performances lorsque nous parlons de calage variable des soupapes.
Avantages : Économie de carburant, livraison de puissance plus flexible
Inconvénients : Coût de production plus élevé
Si vous êtes un peu familier avec les moteurs Honda, vous avez presque certainement entendu le terme VTEC. Les gens qui règlent leurs Honda pour la performance parlent souvent de "VTEC qui entre en action". Mais qu'est-ce que cela signifie exactement ?
VTEC fait référence au calage variable des soupapes et à la commande électronique de levée, une forme de calage variable des soupapes. Il y a des moments où un moteur nécessite plus de débit d'air, comme lors d'une forte accélération, mais un moteur traditionnel ne permet souvent pas à suffisamment d'air de circuler, ce qui entraîne une baisse des performances. Le calage variable des soupapes signifie que le flux d'air entrant et sortant des soupapes est ralenti ou accéléré selon les besoins [source :Autropolis].
Honda n'est pas le seul constructeur automobile à proposer un tel système. Toyota en a un qu'ils appellent VVT-i, pour le calage variable des soupapes avec intelligence, et BMW a un système appelé Valvetronic ou VANOS, qui signifie variable Nockenwellensteuerung, ce qui signifie contrôle variable de l'arbre à cames. Bien qu'ils fonctionnent tous un peu différemment, ils accomplissent tous la même tâche - permettant plus d'air et de carburant dans les soupapes à des vitesses différentes. Cela rend un moteur plus flexible et lui permet d'offrir des performances optimales dans diverses conditions. Cela augmente également l'économie de carburant.
De nombreux moteurs intègrent désormais une forme de calage variable des soupapes, souvent contrôlé par l'ordinateur de bord du moteur. Nous parlerons de la façon dont les ordinateurs de moteur ont révolutionné la conception dans cette section suivante.
Avantages : Économie de carburant, meilleur diagnostic des problèmes
Inconvénients : Coût, complexité
Un moteur est un appareil incroyablement sophistiqué. Il comporte des dizaines de pièces mobiles et des dizaines de processus différents se déroulant simultanément. C'est pourquoi les voitures modernes ont tout régulé par un ordinateur de bord appelé unité de contrôle du moteur ou ECU.
L'ECU s'assure que les processus tels que le calage de l'allumage, le mélange air/carburant, l'injection de carburant, la vitesse de ralenti et d'autres fonctionnent comme ils sont censés le faire. Il surveille ce qui se passe dans le moteur à l'aide d'un ensemble de capteurs et effectue des millions de calculs chaque seconde afin que tout fonctionne correctement. D'autres ordinateurs dans la voiture contrôlent des éléments tels que les systèmes électriques, les airbags, la température intérieure, l'antipatinage, les freins antiblocage et la transmission automatique.
Les voitures sont de plus en plus informatisées depuis l'ajout des premiers ordinateurs de diagnostic embarqués (OBD) dans les années 1980. C'est l'ordinateur qui est responsable du voyant "check engine" sur votre tableau de bord. Un mécanicien peut brancher un ordinateur sur le port OBD et avoir une idée des problèmes de votre voiture. Ils ne peuvent pas utiliser OBD pour savoir immédiatement ce qui ne va pas avec votre voiture, mais cela leur donne un excellent point de départ.
En rendant le moteur plus efficace, les ordinateurs du moteur peuvent entraîner une plus grande efficacité énergétique et un diagnostic plus facile des problèmes. Mais ils rendent également les moteurs beaucoup plus compliqués et peuvent les rendre difficiles à travailler pour les mécaniciens du week-end.
Prochaine étape :apprenons pourquoi les moteurs diesel ne sont plus les brûleurs à mazout fumants, bruyants et à faible consommation d'énergie du passé.
Avantages : Couple, économie de carburant, émissions plus propres
Inconvénients : Coût du carburant, bas RPM, coût initial plus élevé
Nous avons beaucoup parlé des moteurs à essence jusqu'à présent, mais qu'en est-il des moteurs diesel ? Les diesels n'ont jamais été de gros vendeurs aux États-Unis. Malgré leur économie de carburant supérieure à celle des moteurs à essence similaires, de nombreux Américains considèrent encore les moteurs diesel comme les moteurs bruyants, pleins de suie, malodorants et peu fiables des années 1970 et 1980.
Ce n'est plus le cas. Le moteur diesel moderne est puissant, propre et extrêmement économe en carburant. Les moteurs d'aujourd'hui utilisent une forme de carburant diesel à faible teneur en soufre, et les systèmes à l'intérieur de la voiture aident à éliminer les particules et l'excès de pollution.
Les moteurs diesel fabriqués par des entreprises telles que Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo et d'autres bénéficient d'améliorations du moteur telles que la suralimentation, l'injection de carburant sophistiquée et le contrôle par ordinateur pour offrir une expérience de conduite à la fois efficace et à couple élevé [source :Bosch].
Les moteurs diesel présentent certains inconvénients, principalement leur faible niveau de régime et le coût plus élevé du carburant diesel. Mais puisque bon nombre d'entre eux peuvent atteindre plus de 40 miles par gallon (17 kilomètres par litre) sur l'autoroute, le conducteur devra payer ce carburant beaucoup moins souvent. Et si vous vous demandez si les diesels modernes offrent de bonnes performances, ne cherchez pas plus loin que les dernières courses des 24 Heures du Mans, où Audi a dominé en utilisant une voiture de course diesel.
Enfin, nous nous pencherons sur le leader actuel des voitures "vertes" :le moteur hybride.
Avantages : Économie de carburant
Inconvénients : Coût initial plus élevé, complexité
Une combinaison de prix élevés de l'essence, d'une sensibilisation accrue à l'environnement parmi les conducteurs et de réglementations gouvernementales augmentant l'économie de carburant et les normes d'émissions ont forcé les moteurs à « passer au vert » plus que jamais auparavant. L'une des plus grandes améliorations du moteur utilisées pour augmenter l'efficacité ces dernières années est le moteur hybride.
Les hybrides étaient un obscur il y a dix ans, mais maintenant tout le monde sait comment ils fonctionnent ; un moteur électrique est associé à un moteur à essence traditionnel afin d'obtenir des chiffres d'économie de carburant élevés, mais sans "l'anxiété d'autonomie" d'un moteur électrique, où le le conducteur se demande toujours ce qui se passera lorsqu'une charge sera épuisée.
La Toyota Prius reste la voiture hybride la plus vendue en Amérique. Il dispose d'un moteur quatre cylindres de 1,8 litre couplé à un moteur électrique qui produit 134 chevaux. À basse vitesse, le moteur électrique agit seul, ce qui signifie que la voiture n'utilise pas du tout d'essence. À d'autres moments, il assiste le moteur à essence. L'ensemble totalise environ 50 miles par gallon (21,3 kilomètres par litre) en ville et sur l'autoroute [source :AOL Autos].
Les hybrides comme la Prius représentent la dernière évolution de la technologie de combustion interne. Bien que leurs avantages se présentent sous la forme d'une efficacité énergétique, il existe également des inconvénients. Les hybrides ont un coût initial plus élevé que leurs homologues non hybrides, et certains ont fait valoir que l'essence doit être beaucoup plus chère qu'elle ne l'est actuellement (aussi incroyable que cela puisse paraître) avant que le conducteur ne récupère le coût supplémentaire de la voiture hybride.
Cependant, il est clair que les moteurs tendent vers des émissions réduites et une plus grande efficacité énergétique. Alors que les voitures uniquement électriques deviennent de plus en plus courantes, il est clair que le moteur à combustion interne ne va pas encore loin. Il continuera simplement à évoluer pour être de mieux en mieux, comme il l'a fait depuis l'époque du modèle T.
